Биотехнология как наука

 Эффективным источником  белка могут служить водоросли. Увеличить количество пищевого  белка можно и за счет микробиологического  синтеза, который в последние  годы привлекает к себе особое  внимание. Микроорганизмы чрезвычайно  богаты белком — он составляет 70—80 процентов их веса. Скорость  его синтеза огромна. Микроорганизмы  примерно в 10—100 тысяч раз быстрее  синтезируют белок, чем животные. Здесь уместно привести классический  пример: 400-килограммовая корова  производит в день 400 граммов белка, а 400 килограммов бактерий — 40 тысяч  тонн. Естественно, на получение 1 кг  белка микробиологическим синтезом  при соответствующей промышленной  технологии потребуется средств  меньше, чем на получение 1 кг белка  животного. Да к тому же технологический  процесс куда менее трудоемок, чем сельскохозяйственное производство, не говоря уже об исключении сезонных влияний погоды — заморозков, дождей, суховеев, засух, освещенности, солнечной радиации и т. д.

 Применяя обычные технологические  линии по производству синтетических  волокон, можно получать из искусственных  белков длинные нити, которые  после пропитки их формообразующимн  веществами, придания им соответствующего  вкуса, цвета и запаха могут  имитировать любой белковый продукт. Таким способом уже получены  искусственное мясо (говядина, свинина, различные виды птиц), молоко, сыры  и другие продукты. Они уже  прошли широкую биологическую  апробацию на животных и людях  и вышли из лабораторий на  прилавки магазинов США, Англии, Индии, стран Азии и Африки. Только  в одной Англии их производство  достигает примерно 1500 тонн в  год. Интересно, что белковую часть  школьных обедов в США уже  разрешено на 30 процентов заменять  искусственным мясом, созданным  на основе соевого белка.

 Используемое в питании  больных Ричмондского госпиталя (США) искусственное мясо получило  высокую оценку главного диетолога. Правда, когда больным давали  антрекот из искусственного мяса, они жаловались на его тестоватость, хотя и не знали и даже  не догадывались о том, что  получали не естественный продукт. А когда мясо подавалось в  виде мелко нарезанных кусочков, нареканий не было. Обслуживающий  персонал также употреблял искусственное  мясо, не догадываясь о подделке. Они воспринимали его как натуральную  говядину. Врачи госпиталя отмечали  также положительное влияние  рациона на здоровье пациентов  и особенно больных атеросклерозом. В состав такого мяса обязательно  включают специально обработанный  искусственный белок, небольшое  количество яичного альбумина, жиры, витамины, минеральные соли, природные  красители, ароматизаторы и прочее, что дает возможность «лепить»  изделие с заданными свойствами, учитывая при этом физиологические  особенности организма, для которого  продукт предназначен. Это особенно  важно в диете детей и людей  пожилого возраста, больных и  выздоравливающих, когда необходимо  лимитировать питание по целому  ряду пищевых компонентов, что  весьма трудно сделать, используя  традиционные продукты. Такое мясо  можно резать, замораживать, консервировать, сушить или прямо использовать  для приготовления различных  блюд. 

 Из 20 аминокислот, входящих  в состав белков, 8 аминокислот  люди не могут синтезировать, и их относят к незаменимым. Это изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, валин, фенилаланин. Аминокислоты — это не только питательные вещества, но также ароматические и вкусовые агенты, и потому они широко используются в пищевой промышленности.

 Как питательную добавку  в пищу чаще всего вносят  лизин и метионин. Глутамат натрия  и глицин употребляют как ароматические  вещества для усиления и улучшения  вкуса пищи. У глицина освежающий, сладкий вкус. Его вводят в  сладкие напитки, и кроме того, он проявляет там бактериостатическое  действие. Цистеин предотвращает  подгорание пищи, улучшает пекарские  процессы и качество хлеба. Благодаря  некоторым бактериям удается  получать около 100 г/л глутаминовой  аминокислоты. Ежегодно в мире  производят микробиологическим  способом 270 000 т этой аминокислоты, основная часть которой идет  в пищевую промышленность. По  объему продукции второе место  после глутаминовой кислоты занимает  лизин — 180 000 т в год. Другие  аминокислоты производят в гораздо  меньших количествах.

 Аминокислоты в большом  количестве применяют как добавку  к растительным кормам, которые  дефицитны по метионину, треонину, триптофану и особенно по лизину. Если в животных белках содержится 7—9 % лизина, то в белках пшеницы  — только около 3 %. Внесение в  корма лизина до содержания 0,3 % позволяет сократить их расход  больше чем на 20 %. За последние 8 лет количество аминокислот, добавляемых  в корма, выросло в 14 раз. Во многих  странах метионин добавляют к  соевой муке — белковой добавке  кормов. Главная область практического  применения аминокислот — обогащение  кормов. Около 66 % общего количества  аминокислот, получаемых в промышленности, используют в кормах, 31 % — в  пище и 4 % — в медицине, косметике  и как химические реактивы. На  основе аминокислот готовят искусственный  подсластитель — метиловый эфир L-аспартил-L-фенилаланина, который в 150 раз слаще, чем глюкоза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

 

     Промышленная биотехнология, находящая применение в таких ключевых направлениях, как медицина и сельское хозяйство, производство химических веществ и пищевых продуктов, биоэнергетика и биоэлектроника, восстановление и защита окружающей среды, материаловедение, биогеотехнология и других, является универсальным инструментарием по борьбе со стихийным развитием цивилизации и обеспечению её управляемого устойчивого непрерывного прогрессирования.

     Принимая во внимание исключительную прикладную ценность биотехнологии, представляется крайне важным проанализировать и систематизировать основные объекты и этапы биотехнологического процесса, комплексно рассмотреть базовые методы и подходы, имеющих место в промышленной биотехнологии, описать технологическое оборудование, схемы ведения работ и, соответственно, продукты, получаемые в результате биотехнологического производства.

     Учитывая, что биобъекты — основополагающий элемент промышленной биотехнологии, видится целесообразным вначале коротко остановиться на их описании. В качестве биобъектов выступают одно- или многоклеточные живые организмы, функциональное предназначение которых — биосинтез необходимого продукта (продуценты) либо катализ ферментативной реакции (биокатализаторы). К биообъектам относятся макромолекулы, микро- и макроорганизмы, в частности:

• вирусы — не имеющие клеточного строения и собственного энергоснабжения мельчайшие организмы, ведущие паразитический образ жизни;
• бактерии — прокариотические (не обладающие ядром и другими мембранными органоидами) и эукариотические (содержащие в своём строении ядро и иные структуры) клетки;
• водоросли (бурые, красные, зелёные, диатомовые, синезелёные и т. п.) — группа одноклеточных, колониальных или многоклеточных организмов, обитающих, в основном, в водной среде, но также в почве, на поверхности растений и в других местах;
• лишайники — симбиотические ассоциации микроскопических грибов (микобионт) и зелёных микроводорослей и / или цианобактерий (фотобионт или фикобионт), образующие слоевища (талломы) определённой структуры;
• грибы — лишённые хлорофилла (пигмента, участвующего в фотосинтезе) организмы, усваивающие минеральные вещества непосредственно из окружающей среды, а органические — только в готовом виде;
• водные растения, пребывающие в солёной, пресной (большей частью) либо солоноватой водных средах;
• культуры клеток животного происхождения, равно как и изолированные ткани, органы или цельные тела животных;
• тотипотентные растительные клетки, сохраняющие генетическую информацию в процессе своего развития и способные, в случае наличия благоприятных условий, полностью восстановить организм.

     При этом низшие растения (вирусы, бактерии, водоросли, миксомицеты, лишайники, грибы), в свою очередь, подразделяются на автотрофы (водоросли и лишайники), синтезирующие органические соединения из неорганических, и гетеротрофы (вирусы и бактерии, большинство миксомицетов и грибов), неспособные к фотосинтезу / хемосинтезу и использующие для питания органические вещества, произведённые другими организмами.

     Рассмотрев объекты, которыми оперирует биотехнология, перейдём к исследованию производственного процесса (заметим, что в практической деятельности, для удобства, он часто иллюстрируется в виде последовательно составленной блок-схемы), предполагающего, в конечном счёте, получение внутри- или внеклеточного целевого продукта биосинтеза. Обычно, в классическом варианте, изучаемый процесс состоит из подготовительной, биотехнологической и заключительной стадий.

     На начальной, подготовительной стадии осуществляется приготовление необходимого сырья с заданными свойствами, подразумевающее, в зависимости от целевой продукции, такие методы, как: заготовка специальной среды с нужными компонентами, стерилизация газов путём очистки от излишних веществ, подготовка посевного материала либо биокатализатора.

     На основной, биотехнологической стадии, с помощью тех или иных перечисленных выше биообъектов, происходит преобразование исходного сырья в желаемый продукт. Данный этап включает в себя синтез новых органических соединений, а также процессы: биотрансформация, ферментация, биокатализ, биоокисление, метановое брожение, биокомпостирование, бактериальное выщелачивание, биосорбция, биодеградация.

     На последней, заключительной стадии технологического процесса биотехнологического производства получается запроектированная готовая продукция. Однако, целевой продукт на текущем этапе изначально находится в биомассе либо жидкости. Для их разделения можно воспользоваться следующими методами: отстаивание, фильтрация (в том числе микро- и ультрафильтрация), сепарация / центрифугирование и др.

     После указанных выше стадий, наступает время выделения целевого продукта. Это успешно делается экстракцией, осаждением, адсорбцией, ионным обменом и другими известными методами, характерными для внутриклеточных и внеклеточных формирований.

     Полезно отметить, что, в случае необходимости удалить ненужные примеси, в производственный процесс, после стадии выделения, может быть включён этап очистки, который реализуется на основе хроматографии, диализа, кристаллизации, равно как и ректификации, ферментолиза, обратного осмоса и иных методов, приведённых для предыдущей стадии.

     Завершая раздел, посвящённый хронологическим аспектам биотехнологического производственного процесса, стоит упомянуть и о возможности максимизировать выход целевого продукта (до 90—100 %) — это достигается путём его концентрирования (например, выпариванием, сушкой, нано- и гиперфильтрацией).

     Касаемо оборудования, используемого в биотехнологической практике, следует сказать, что при лабораторных исследованиях, главным образом, применяют роллеры и качалки, предотвращающие посредством вращающей конструкции осаждение клеток и обеспечивающие оптимальное количество растворённого кислорода. Чтобы в периодическом и непрерывном режимах выращивать клеточные культуры и микроорганизмы в промышленных масштабах, больше подойдут ферментёры и биореакторы, где перемешивание клеток может происходить за счёт аэрирования воздуха (барботажный тип), создания направленных циркуляционных потоков (эрлифтный тип) или с помощью механических устройств.

      В заключение, хотелось бы акцентировать внимание на том, что, согласно результатам проведённых автором изысканий и мнениям учёных по исследуемой тематике, перспективы промышленной биотехнологии весьма позитивны, поскольку она обладает исключительно важными преимуществами.

     Вот лишь некоторые из них: широкий спектр получаемых продуктов (к примеру: газы — водород, биогаз, диоксид углерода; культуральные жидкости вместе с микроорганизмами — кефир, йогурт; твёрдые субстраты — сырная продукция, ферментированное с заквасками колбасное изделие; жидкости, полученные после отделения биомассы, — квас, вино; биопрепараты — бактериальные удобрения, эффективные средства защиты растений, пекарские дрожжи; различные биопродукты — этанол, антибиотики, аминокислоты и многое другое), экологичность и безопасность производственного процесса, умеренность стоимости подготовки и запуска биотехнологической линии, эвентуальность использования в качестве сырья низких по цене отходов сельского хозяйства и промышленности, а также, что особо ценно, возможность получать чрезвычайно востребованные вещества (белки, ДНК и т. д.), которые сложно либо, более того, вовсе не представляется реальным получить каким-то иным способом в достаточном для людских нужд объёме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ФЕРМЕНТЫ

 

     Ферменты составляют основу многих тестов, используемых в клинической медицине. Они применяются при автоматизированном анализе и биохимическом исследовании жидкостей организма, которые ведутся в  биохимических лабораториях современных клиник. Примером таких ферментов могут быть  глюкозооксидаза, гексокиназа, эстераза, алкогольдегидрогеназа. Иногда ферменты применяют в терапии (например, струптокиназу или урокиназу, которые оказывают мощное фибринолитическое действие при тяжелом тромбозе сосудов).

     По видимому, основные усилия в ближайшие несколько лет будут направлены на развитие технологии биодатчиков. Ферменты могут оказаться весьма полезными для контроля за концентрацией разнообразных веществ, интересующих клиницистов: промежуточных метаболитов, лекарственных препаратов и гормонов. Свою роль сыграет здесь биотехнология: она предоставит и обычные и редкие ферменты микробов, полученные как путем

крупномасштабного их выращивания, так и с помощью технологии рекомбинантных ДНК.

     В заключение следует отметить, что последние достижения биотехнологии оказывают и будут оказывать революционизирующее воздействие на диагностику, лечение и понимание основ патологии многих тяжелых заболеваний.